摘要: 针对传统农业专家系统存在着缺少动态预测功能及机理性解释的不足和利用率低的缺点, 设计了一种虚拟植物生长模型﹑农业专家系统和分布式虚拟现实技术的集成框架。详细介绍了虚拟植物生长模型的研究概况, 着重论述了基于虚拟植物生长模型的农业专家系统体系结构以及各组成部分的功能。虚拟植物生长模型和农业专家系统的有机集成, 可以帮助推理机获得推理决策所必需的数据和降低系统决策的风险性。此外, 利用多用户分布式虚拟环境使得基于虚拟植物农业专家系统为用户提供内容更丰富、视觉更直观、方便快捷的服务。
　　关键词: 分布式农业专家系统; 虚拟植物生长模型; 改进框架
　　中图分类号: S126 文献标识码: B 文章编码: 1672- 6251( 2007) 02- 0006- 03
　　
　　1 背景
　　
　　社会主义新农村的建设推动和加快了农村的信息化建设, 信息技术可以为越来越多的农民提供服务, 例如, 生产咨询、查询资料、产品交易等等。此外, 在我国已经研制和开发出了许多的农业专家系统, 如: 小麦高产技术专家系统( 余华等, 1996) , 水果果形判别人工神经网络专家系统( 刘禾等, 1996) , 基于规则和图形的苹果、梨病虫害诊断及防治专家系统( 王爱茹等, 1999) ,农业资源高效利用技术集成专家系统的设计( 李道亮,1999) , 基于作物生长特征的作物栽培专家系统( 柴毅,1999) , 基于生长模型的小麦管理专家系统( 曹卫星等,1999) 等。这些农业专家系统促进了农业科技成果的应用与推广。但是, 这些专家系统的应用只是局限在一定的范围内, 并没有普及推广并且传统的农业专家系统主要以农业专家经验为基础, 通过知识库和推理机来模拟农业专家进行推理、判断和决策的过程。这种系统的主要功能是对知识的综合和应用, 提供一种专家推理与决策工具。然而, 它较多地利用了系统的浅层知识, 缺少动态预测功能和机理性解释, 定量科学计算推理能力较弱, 因而难以超越专家的智能范围和决策能力。特别是对于结构复杂、影响因素多、时空性强等特点的作物生产管理系统, 完全依靠农业专家的经验知识进行定性的推理决策不能保证系统推理的准确全面并且存在着不能动态地表达系统决策结果的缺点[1]。
　　近几十年来, 计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征, 特别是网络技术的迅速崛起, 使得信息应用系统在深度和广度上发生了质性的变化, 分布式虚拟现实系统( DVR) 即是一个较为典型的实例。分布式虚拟现实( Distributed Virtual Reality, DVR) 系统是指基于网络的虚拟环境, 在这个环境中, 位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结, 每个用户在一个虚拟现实环境中, 通过计算机与其它用户进行交互, 并共享信息[7]。
　　计算机的虚拟技术的发展, 对农业生产、科研、教学、加工、销售等各个环节在计算机上的模拟和再现提供了支持。利用虚拟现实技术模拟植物在三维空间中的形态结构、生长发育过程, 这就是所谓的“ 虚拟植物”。我们可以用计算机设计出虚拟作物, 然后实际培育出能与虚拟品种相媲美的优良品种, 从遗传学上操纵品种的培育。综合考虑植物生理生态和形态结构两方面的虚拟植物, 可以用来进行一系列虚拟试验。
　　近年来出现的虚拟植物生长摸型可以在计算机上逼真地再现植物的生长过程。这种模型, 将植物的几何结构模型与具体的生理生态模型有机结合, 为探索植物生长机理提供了一个有效而又直观的途径。
　　虚拟现实技术能够构造一个多维信息空间, 能够丰富用户的视觉和听觉刺激。在这个空间中, 虚拟现实技术能使用户有身临其境的真实感, 与环境中对象交互操作如同身临其境。虚拟空间如同真实社会, 单独一个用户在虚拟空间中存在是没有意义的, 通过Internet连接构成一个分布式虚拟农业专家系统( DVAE) 能够为更多人们提供更多的知识和决策。
　　因此, 研究虚拟植物生长模型、农业专家系统知识模型和分布式虚拟技术的集成机制, 利用植物的生理生态模型辅助专家系统决策, 对提高传统专家系统的决策性能和推广专家系统的应用具有重要的理论和实践意义。
　　
　　2 虚拟植物生长模型
　　
　　虚拟植物生长模型由植物外观形态发生模型、植物生理生态模型和可视化模型组成。虚拟植物生长模型通过外观形态发生模型和生态生理模型的交互作用, 计算出植物在各个生长阶段的生长发育状况, 再利用可视化模型形象直观地再现不同生理生态因素下植物的生长状况或植物的连续生长过程[4]。
　　
　　2.1 植物外观形态发生模型
　　植物外观形态发生模型是植物几何结构模拟的基础, 提供植物的形态信息, 它又由“ 拓扑结构模型”和“ 几何结构模型”组成。拓扑结构模型描述了组成植物的各部分之间的关系和分布状况, 如在每个生长阶段能够长出的器官的种类、数量、位置和彼此之间的结构关系; 几何结构模型描述了植物整体结构以及各器官的三维几何信息, 如各器官的尺寸、形状以及角度等。常见的形态发生模型有L 系统、参考轴技术和粒子系统等。
　　L 系统是植物生长建模的主要方法之一。其本质是一种字符重写系统或形式化语言方法, 通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象, 构造公理( axiom,可以理解为初始状态) 与产生式集( set of productions,可以理解为描述规则) , 生成字符发展序列( develop—mental sequences of words) , 以表现植物的拓扑结构。运用L 系统虚拟植物是一个信息膨胀的过程( 字符串的不断繁殖) 。
　　法国农业发展国际合作研究中心( CIRAD) 的deReffye[5]等研究人员提出的参考轴技术( 也称“ 自动机模型”) 是一种模拟植物生长的典型随机过程方法。它使用马尔可夫链理论和状态转换图( state transition graph)来描述植物生长发育及死亡等过程。该模型能很好地模拟植物轴上分生组织的活动, 已经成功地应用于植物生长模拟系列软件AMAP 中。
　　赵星等提出了双尺度自动机模型来模拟真实植物的生长过程[6]。双尺度自动机模型根据植物的生理年龄来组合植物的生长参数, 它包含微状态和宏状态两种尺度的状态。这两种尺度的状态是由植物的生长规律决定的。该模型通过微状态和宏状态的组合和循环来模拟植物的生长过程, 生成植物的拓扑结构。双尺度自动机模型在自动机模型的基础上发展而来, 结合了植物的许多固有生长特点。
　　粒子系统是一种模拟不规则模糊物体的方法, 适合描述复杂自然景物, 如火、云、水、森林和草原等。与其他模拟方法不同, 这种方法能够充分体现不规则模糊物体的动态性和随机性, 擅长描述随时间变化的物体

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